旋转机械故障诊断

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旋转机械故障诊断范文第1篇

[关键词]故障诊断；电动机；频谱

中图分类号：TF341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0003-01

引言：在目前，我国大部分企业对于大型仪器进行维修与养护都在运用较为传统的方式与规划，更有甚者将设备一直处于事故维修过程中，应用此种方式是无法追上生产需求的以及对于现代社会节能环保的需求。比较大型的设备仪器有泵、发电机等一些含有成本大、运转速度快的特点，它的运行情况是决定企业生产效率与质量的直接因素。为了适应时代进步的脚步，出现了新兴的故障诊断技术，利用旋转机械来对其进行诊断，具体如下。

一、旋转机械故障诊断的特点以及理论概述

（一）旋转机械故障诊断的理论

旋转设备的核心功能就是依据各个旋转部件来实施的，最P键的部件是转子。一些旋转设备发生故障时会伴有异常声响，它的振动信号在频域和时域上都能体现出机械发生的故障。可以通过振动检测器来其实际运行进行检测，通过对信息的分析、收集等趋势来看，发生故障的具置与原因，可以对故障进行有效避免，进而将其故障扼杀在摇篮里。依据发生故障的原因以及导致故障发生的因素，可以对其进行分析，其主要原因有安装发生不到位、设计欠缺、机械外框发生形变等。

（二）旋转机械故障诊断的特点

因为旋转机械的中心是转子，它是由各个零件拼凑而成的。因其转子高速运转，对于零件在制造、调试、维修等方面都有着极高的要求。无论在运转中任何零件发生问题，都会造成机器异动，就会使机组产生较大的振动。基于转子为中心的四周发生振动，大部分故障都是因为振动而引发的，是重点研究对象。

二、结合振动分析诊断旋转机械设备的故障

（一）仪器松动

仪器发生松动是旋转机械发生最普遍的故障，松动分为两种，一是螺栓松动，它会引发整个仪器都松动；二是构件配合之间发生松动，比如内圈与转轴、滚动与轴承等，因此造成配合精度减小。因为松动而引发的振动是非线性的，它的信号频率非常复杂，刨除基频，还会产生分频波动，进而造成旋转机器故障。

（二）转子不平衡

转子不平衡带来的而影响是巨大的，因其是核心组成部分，引发的故障也是十分常见的。对于转子发生不平衡原因有材料的不合格、长时间损耗以及配件偏离中心，或是固件松动引发附着物堆积等因素，都是致使转子发生不平衡的原因以及质心出现偏移。不平衡分为两种模式，一是动不平衡，二是静不平衡。在发生不平衡时它的振率相较于平时会有极大的不同，主要对转子旋转的频率进行观察即可。另外，发生不平衡振动以后会连带着其他构件的频率。产生不平衡振动的原因有三种，其中包含了转子的速度、转子的质量以及偏心距。转子在旋转过程中会产生一个力即为离心力，离心力的功能就是支撑轴承，其方向是与轴承垂直的。在进行故障诊断时，一定要将其以上因素进行深入分析。

（三）摩擦

摩擦带来的故障模式也是五花八门的。比如转子与密封件之间、定子之间、隔板之间的摩擦，在旋转机器任何两个部件之间发生摩擦都会造成零件松动，进而引发故障。一般情况法伤摩擦之后就会发生非线性振动，它连带的范围比较广，不仅仅有一倍基频，还有二倍、三倍等。在特定的状态下还会出现系统的固有频率。

（四）转子不对中

转子不对中对于产生故障的几率非常大，其中包含转子同转子，主要在联轴器的对中性上表现出来。对于滑动的轮轴来讲，产生这种状况的原因是在轴承之间缺乏一个油膜。对于滚动的轮轴来说主要原因在于轴承的构建发生损坏，支座变形等原因，都会造成转子不对中的情况发生，如果转子不对中的话，就会使旋转机械发生玩弯矩，对于轴承增加一分附件力导致负荷要重组，而产生强烈振动，基于此来造成机械发生故障。

三、旋转机械故障诊断的实际应用

例如，某一炼钢厂的电动机，具有很强的驱动器，利用驱动器运作来带动轴承运作，以便维持电动机正常工作，它的整合机组是作用于一个基座上的，其电动机的型号是JK850-2，它的功率、转速、频率分别为850kW、2970r/min、50Hz，儿它的频率合成器的型号是GST50，煤气风机的型号为D1000-11，它最低的速度与高速分别为750r/min、2970r/min，对于炼钢过程中对其工艺进行吹氧时，它才会处于高速状态，要不然一直是保持低速。

（一）测量振动值分析

某炼钢厂通过对于振动值的测量，进而测量出电动机的振动数据，基于标准体系下，测点的大小是由测出的点值决定的，如果它的点数大就说明它的振动有异常，这个钢厂的数据显示它的振动幅值在29768μm，通过分析得知他的能量主要集中在低频阶段，当能量最大时也不过是约为0.1倍频，其余的频率分布的能量比较低。通过钢厂的振动幅采样值为31.6μm，对其分析能量主要集中在一倍基频、二倍基频，但是对其进行采频的时间间隔比较小，所以会发现有很大的跳动值，主要原因是因为转子的不对中与不平衡所引发的，并且振动的幅值在变化上不是特别大。

基于振幅数据来进行初步判定，此电动机是存在问题的，但在实际进行测量时，会发现振动力度并不大，是处于正常状态的，为了加大检查力度，参考电动机的转速非常快，就依据正常速度幅值与加速度幅值来体现振动值的多少。

（二）分析诊断

基于频谱分析，我们便会得知，主要能量在低频阶段，通过总结会发现问题出现在电动机的后端轴承部分。结合多种类型的故障对其特性进行分析、归纳，对其作业现场的仪器、工作环境等因素，对引发振动的因素进行一个预估，可能使因为转子或是摩擦的问题导致的异常振动，具体的原因可能是出现在了轴承部分发生松动致使的振动异常。待机器停止运作之后，对其进行开盖检查，经过核实发现确实是因为轴承内圈发生损坏而导致的振动异常。

结束语

对于旋转机械的故障判断工作是十分麻烦的，因为仪器的种类是多样的，出现故障时不可避免的。在实际应用中，机械常识振动的原因有很多，在对数据进行一一收集，之后对其进行深入分析，才会找出问题所在，为维修提供依据，进而增加机械的应用效率，降低发生故障的几率，延长设备的额运用时间，最终实现安全、节能的目的。

参考文献

[1]苏曦.数据挖掘技术在机械设备故障诊断中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015，（01）：127-128+130.

[2]温勇.煤矿机电设备管理中机械故障检测诊断技术的应用分析[J].机电信息，2013，（06）：107+109.

旋转机械故障诊断范文第2篇

关键词：故障诊断 经验模态分解 裂纹 松动

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0049-03

转轴裂纹和支撑部件松动是旋转机械的常见故障，也是导致机械系统失效甚至造成严重事故的主要原因。目前国内外学者对裂纹、松动故障单独存在的系统研究较多，提出了许多诊断方法。文献[1]研究斜裂纹的动力特性，指出随着裂纹深度的增加，横向响应的组合频率增多。文献[2]结合物理模型与灰色理论，提出行星轮系齿根疲劳裂纹故障预测的新思路，对试验中的疲劳裂纹进行定量检测和故障预测。文献[3]针对工程中出现的支座松动故障，建立了多盘悬臂转子的松动有限元模型，对单支座和双支座松动故障进行动力学特性研究。

但在实际转子中，常常出现两种故障同时存在的情况。这种耦合故障转子的动力学行为较单一故障转子更加复杂，而且相互影响，不容易诊断。文献[4]利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶方法，研究了松动裂纹耦合故障转子轴承系统周期运动的稳定性及其失稳规律。文献[5]建立了带有裂纹-支承松动耦合故障的双跨弹性转子系统动力学模型，利用数值仿真对故障非线性响应进行研究。

EMD[6]是近年来发展起来的处理非平稳、非线性信号的时频分析方法。该方法克服了传统时频分析方法中的不足，具有很强的自适应性，并在机械故障诊断领域得到了广泛应用[7～10]。针对耦合故障信号复杂，具有强非线性的特点，本文提出一种基于EMD的耦合故障诊断方法。该方法先利用EMD将故障信号分解，然后求得有效IMF的边界谱，通过对边界谱分析判断系统状态，达到故障诊断的目的。

1 系统力学模型和运动微分方程

如图1所示，建立含有裂纹-松动耦合故障的刚性支承转子-轴承系统模型，转子圆盘与轴承之间为无质量的弹性轴。模型左端发生松动，轴承座与基础之间的松动最大间隙为。转子圆盘左侧有一弓形横向裂纹，其深度为a。图1中O1为轴瓦几何中心；O2为转子几何中心；O3为转子质心，k为弹性轴刚度；m1为两端轴承处的转子集中质量；m2为转子圆盘的等效集中质量；m3为轴承支座的等效集中质量。模型还考虑了左端滑动轴承作用在转轴上的非线性油膜力，为别为Fx、Fy。

设转子右端的径向位移为x1，y1；转子圆盘的径向位移为x2，y2；松动端轴心位移为x3，y3；轴承支座在竖直方向位移为y4，则具有裂纹松动耦合故障的转子-轴承系统运动微分方程为：

式中u为转子的偏心量；c1为转子在轴承处的阻尼系数；c2为转子圆盘的阻尼系数；cs为支座松动阻尼系数；ks为支承刚度。为转子转速；g为重力加速的；、为仅与裂纹深度a有关的相对刚度参数。为裂纹开闭函数，本文采用余弦波模型来表示裂纹开闭过程，粗略地考虑裂纹半开半闭的过渡过程，忽略了裂纹的全闭和全开是一个持续过程。

余弦波模型的数学表达式为：

图2所示，式中为初相位；为裂纹方向与偏心之间的夹角；x，y为转子初始位置松动故障等效成刚度和阻尼的变化；支承间隙系统在位移条件下ks、cs为分段性，其表达式为：

式（1）中油膜力沿x和y两个方向的分量为：

式（4）中为油粘度；为转子转速；c为轴承径向间隙；R为轴承半径；L为轴承长度。

2 经验模式分解

经验模式分解EMD是一种自适应分解方法，可以把复杂的信号分解为有限个IMF分量。IMF信号一般满足两个条件：（1）从全局特性上看，极值点数必须和过零点数一致或者至多相差一个。（2）在某个局部点，极大值包络和极小值包络在该点的算术平均值是零，即两条包络线关于时间轴对称。

我们可以把任何信号按下面步骤分解。

（1）用三次样条线将所有的局部极大值点连接起来形成上包络线。

（2）用三次样条线将所有的局部极小值点连接起来形成下包络线。

（3）上下包络线的平均值记为，求出：

理想地，如果是一个IMF，那么就是的第一分量。

（4）如果不满足IMF的条件，把作为原始据，重复（1）、（2）、（3），得到上下包络线的平均值再判断是否满足IMF的条件，如不满足，重复循环k次，得到，使得满足IMF条件。记，则为信号的第一个满足IMF条件的分量。

（5）将从中分离出来，得到：

将作为原始数据重复以上过程，得到的第二个满足IMF条件的分量，重复循环n次，得到n个满足IMF条件的分量。这样就有：

当成为一个单调函数不能再从中提取满足IMF条件的分量时，循环结束。这样由式（6）和（7）得到：

因此，我们可以把任何一个信号分解为n个内禀模态函数和一个残量之和，其中，分量，，…，分别包含信号从高到低不同频率段成分，而则表示信号的中心趋势。

对式（8）中的每个内禀模态函数作Hilbert变换得到：

构造解析信号：

于是得到幅值函数：

和相位函数：

进一步可以求出瞬时频率：

这样，原始信号就可以表示为：

3 经数值仿真和故障诊断

由方程（1）可以看出，含有裂纹松动耦合故障的转子系统是一个有复杂外激励的非线性系统。目前分析这种系统最有效的方法就是数值仿真，本文采用变步长四阶龙格-库塔法对方程（1）进行数值求解，系统参数选取如下：m1=4　kg，m2=32.5　kg，m3=50　kg，R=0.025　m，L=0.012　m，c=0.11　mm，a=0.015　m，=0.018　Pa·s，c1=1050　N·s/m，c2=2100　N·s/m，cs1=350　N·s/m，cs2=500　N·s/m，k=7.5×107　N/m，ks1=2.5×107　N/m，ks2=2.5×109　N/m，u=0.05　mm，w=789.3　rad/s，=1　mm，=0，=0。

图3为数值解得到的转子左端径向位移y3的时域图。由图3可以看出由于裂纹、松动两种故障的影响，y3的振动有很强的非线性。EMD方法用于处理非线性、非平稳信号有良好的效果。如图4所示，把由龙格-库塔法解出的y3振动信号经过EMD方法分解，得到含有故障特征的IMF。由于EMD方法本身原因产生虚假模态，故只给出IMF1～IMF4。

由分解得到的IMF可以看出信号的频率和幅值有明显的周期变化，说明该模型含有机械故障。要对故障进一步诊断，需要对IMF进行希尔伯特变换，求出边界谱，最后通过边界谱的倍频关系以及与单一故障特征的比较来进行故障诊断。

图5是转子左端的Y方向位移y3的边界谱图。由图5可以看出振动主要是由低倍频、1倍频、1/2倍频和2倍频组成的。图6和图7分别是裂纹故障信号和碰摩故障信号的边界谱。两个单一故障都是由耦合故障模型简化而来，由于篇幅有限，不进行详述。

通过对三幅图的分析可以看出耦合故障信号的边界谱所含的低倍频成分与松动故障信号相似，1倍频则与裂纹故障信号相似，说明该耦合故障同时具有裂纹和松动的故障特征。在2倍频以及更高的频率成分上耦合故障信号与单一故障信号存在比较明显的差异，表明故障的耦合并非简单的叠加，图5所示的边界谱图可以作为裂纹松动耦合故障特征，为旋转机械耦合故障诊断提供帮助。

4 结论

建立含有裂纹-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型，并用龙格-库塔法解出含有耦合故障特征的振动信号。用EMD方法处理耦合故障信号，得到有效地IMF和信号边界谱。通过与单一故障边界谱比较，诊断出该信号同时含有裂纹和松动故障特征，得到了裂纹松动耦合故障特征，证明EMD对旋转机械耦合故障诊断的有效性。

参考文献

[1] Sekhar　A　S，Mohanty　A　R，Prabhakar　R.Vibrations　of　cracked　rotor　system：transverse　crack　versus　slant　crack[J].Journal　of　Sound　and　Vibration，2005，279：1203-1217.

[2] 程哲，胡茑庆，高经纬.基于物理模型和修正灰色模型的行星轮系疲劳裂纹故障预测方法[J].机械工程学报，2011，47（9）：78-84.

[3] 马辉，孙伟，任朝晖，等.多盘悬臂转子系统支座松动故障研究[J].航空动力学报，2009，24（7）：1512-1517.

[4] 刘长利，郑建荣，周炜，等.松动裂纹转子轴承系统周期运动分岔及稳定性分析[J].振动与冲击，2007，26（11）：13-15.

[5] 罗跃纲，闻邦椿.双跨转子系统裂纹-松动耦合故障的非线性响应[J].航空动力学报，2007，22（6）：996-1001.

[6] Huang　N　E，Shen　Z，Long　S　R，et　al.The　empirical　mode　decomposition　and　the　Hilbert　spectrum　for　nonlinear　and　non-stationary　time　series　analysis[J].　Proceedings　of　the　Royal　Society　London　A，1998，454（1971）：903-995.

[7] Parey，A.Dynamic　modelling　of　spur　gear　pair　and　application　of　empirical　mode　decomposition-based　statistical　analysis　for　early　detection　of　localized　tooth　defect[J].Journal　of　Sound　and　Vibration，2006，294（3）：547-561.

[8] Yang　Y，He　Y　G，Chen　J　S，et　al.A　gear　fault　diagnosis　using　Hilbert　spectrum　based　on　MODWPT　and　a　comparison　with　EMD　approach[J].　Measurement，2009，42：542-511.

旋转机械故障诊断范文第3篇

关键词：转动机械；故障诊断及处理；方法；意义

科学技术水平的提高使得我国众多发电厂都应用了众多新型的自动化、智能化的设备设施。同时，发电厂需要进行全天候、不间断的工作，保障电力的供应。因此，一些外部因素和内部因素的出现会导致各种转动机械设备故障问题的发生。而应用以往的故障诊断和处理模式无法对于其中存在的问题进行解决，使得发电厂的工作质量和效率受到影响。具体来讲，我们针对转动机械故障诊断及处理的方法、应用现代化诊断及处理技术的意义进行分析和研究工作，使得发电厂在较长时间中各种转动的机械设备保障安全运行，更好地开展工作，保障电力资源的供应。

一、转动机械故障诊断及处理的方法

（一）转动机械故障类型

我国发电厂中应用的转动机械发生故障主要是以下方面的问题。具体来讲，第一，滚动的轴承存在缺陷。比如：滚动的轴承出现了滚道或者是滚子脱落、腐蚀、破裂、有凹痕、有杂物的进入等等。而造成以上问题出现的原因有：应用的滑动轴承质量不高、没有应用专业化的技术和方式进行安装导致轴承与轴之间存在性能不高、配合不准确等问题，在较长时间应用后造成其出现了一系列问题。第二，滑动轴承问题。滑动类型的轴承在应用中主要存在的故障问题是：间隙的大小存在问题，无法进行有效性的工作，应用的油膜存在震荡或者是涡动问题。而造成以上问题出现的原因，除了质量问题外、还存在滑动轴承长期的高温、振动大的环境中进行工作的因素，无法进行有效性的运转。第三，转动机械存在松动的问题。转动机械松动主要有两种类型，一种是结构性的松动，另一种为转动性的松动。结构性松动问题出现主要原因是没有进行科学化、专业化的安装，造成了转动机械长期在磨损、腐蚀的环境中工作，导致一些结构出现了基础性的松动，影响到了其应用的质量和效率。而转动机械部件松动主要的原因是有关部件在长时间工作下出现了部件应用的损坏，轴承无法进行有效性工作。第四，转子不平衡的问题。其主要的缺陷和问题有：径向振动大、而在其他方向上的振动值较小。而造成以上问题出现的原因是，其一存在安装不当的问题、其二存在有外来的附加物进入使得转动机械部件出现了严重的磨损问题。

（二）诊断和处理的方法

我们需要应用专业化的人员和技术方式来进行以上故障问题的诊断和处理，保障我国发电厂转动机械进行良好的运行，充分发挥出自身应有状态，为促进发电厂工作水平的提高，实现良好的价值和效益发挥出重要作用。具体来讲，第一，发电厂需要定期对于转动机械设备检修处理人员进行专业化技能的培训工作，提升他们工作的积极性，学习和应用好各种故障设备设施处理的技术素养，保障它们运转正常。第二，发电厂需要进行大量资金的投入购买专业化的故障检测诊断、处理设备，提高诊断和处理的水平。应用好网络信息技术、计算机技术来构建专业化的故障保修系统、有利于有关人员快速进入现场进行设备故障诊断和处理，提高有关设备设施运行的水平。如：型号为IZ300-250-765的灰渣泵其在运行中出现了轴承温度偏高、振动值偏大的问题，我们就可以应用现场图谱仪对其进行科学诊断。如：在现场图谱仪中显示其在78Hz和6.5Hz的地方存在明显波峰、在其高频的区域存在群峰，然后应用其他专业化仪器以及专业人员的经验可以判断出此种类型的灰渣泵外滚道、保持架、轴承的滚子等已经损坏。我们通过查找此类灰渣泵应用的时间明确此已经超过合理化应用的时间。因此，需要对于其进行更换，使得发电厂有关设备可以进行正常运行。对于引风机这类的设备在进行了长时间的应用后也会出现振动偏大的问题。因此，我们需要应用专业化的温度测试装置对于其运行温度进行测量。如：显示的温度为轴瓦48摄氏度，然后应用专业化的频谱图则发现其明显的波峰出现在5Hz的地方。通过有关的分析后我们发现，滑动类型的轴承存在间隙过大问题。在有关专业化人员对其进行精细化检查下发现轴承顶隙存在超标的问题，应用专业化的机械和手段对其进行调整后，使得其恢复正常。

二、应用现代化诊断及处理技术的意义

应用现代化诊断及处理技术具有重要的意义。首先，专业化人员和现代化转动机械故障诊断设备仪器的应用，可以提高对于转动机械故障诊断工作的质量和水平，并且对于存在的问题进行快速化处理，通过周期性的常规诊断、科学化处理方式的应用，对于发电厂有关设备运行中的故障问题进行及时解决，避免了安全事故问题的发生，充分保障了发电厂进行有效性的工作，使其经济效益和社会价值得以实现。其次，应用现代化诊断及处理技术的应用使得专业化故障诊断和处理体系已经形成，可以充分结合转动机械设备运行的历史、对于故障问题进行预报、分析、判断、确定好故障发生的部位、原因、今后运行的趋势，应用专业化的手法进行修复、必要时进行转动机械的更换，保障其具有良好的应用状态。

三、结论

对于转动机械故障诊断及处理问题进行研究和分析，有利于我们应用现代化的故障诊断和处理人员、高端智能化的专业故障诊断仪器对于故障进行全面性的预报、诊断、分析、处理，提高转动机械诊断处理的水平，保障其具有良好的应用状态，使得发电厂可以取得良好的效益和价值。

参考文献：

[1]赵永忠.浅谈转动机械故障诊断及处理[J].机电信息,2015,24:71+73.

[2]王金福,李富才.机械故障诊断的信号处理方法:频域分析[J].噪声与振动控制,2013,01:173-180.

[3]任玲辉,刘凯,张海燕.基于图像处理技术的机械故障诊断研究进展[J].机械设计与研究,2011,05:21-24.

[4]余建青,臧观建,谢世坤,李强征.旋转机械故障诊断中的信号处理技术综述[J].机床与液压,2011,24:107-110.

旋转机械故障诊断范文第4篇

关键词：风电齿轮箱全矢功率谱 故障诊断

中图分类号：TB857+.3文献标识码： A

引 言

故障诊断技术在石油、化工、电力(主要指火电)、冶金、汽车等行业得到了广泛的应用，并取得了非常好的效果。但该技术在风力发电领域的应用还处于初步探索阶段。大中型风力发电技术是20世纪90年代开始研究的高新技术，对其故障和可靠性研究还处于初步阶段。因此，对风电机组的故障诊断有着较大的现实意义【1】。

本文将提出基于全矢功率谱技术的风力发电系统齿轮箱的故障诊断方法。

1 全矢功率谱技术及其运算方法

来自转子同一截面、两个方向的振动信息属于同源信息，平面全矢谱技术就是在转子同一截面上同时布置两个相互垂直的传感器来对信号进行采集和揉合分析的方法。全矢谱分析的基本指导思想是：转子的涡动现象是各谐波频率下的组合作用，其涡动轨迹是一个椭圆，椭圆是由两个同频率(）、运动方向(角速度为)相反的圆轨迹的合成[2],两圆的半径分别为:、，

即：(1)

定义旋转机械单谐波下的椭圆轨迹长半轴为该谐波下的主振矢，用(见图1)表示；椭圆轨迹短半轴为该谐波下的副振矢，用表示。

假定和分别为方向上的离散序列，其傅里叶变换分别为、 ，、、、分别为、的实部序列和虚部序列。

图1 两圆合成椭圆轴心轨迹图

用序列、构成复序列，即 (2)

对其做Fourier变换，得到其离散Fourier变换，利用Fourier变换奇偶共轭的性质可以得到

(3)

由前面的公式及变换的性质可得

，(4)

分别表示某椭圆轨迹的主振矢与副振矢，对主振矢与副振矢的平方求和得

（5）

这表明，转子谐波轨迹的主振矢与副振矢的平方和等于信号在方向上幅值的平方，故有

（6）

二维同源回转能量为基于的融合强度能量与基于副振矢的融合强度之和。同时也为两个单源信息能量之和。将不同偏心率轨迹的回转能量的数值算法可以从计算方向的幅值获得[3]，即

（7）

基于回转轨迹的全矢功率谱有如下特点：灵敏度高、能够准确反映融合矢量信号的能量分布、计算过程简洁、便于工程应用。基于回转轨迹的全矢功率谱对实际工程中的应用有重要价值。

2 风电齿轮箱系统故障诊断实例

测试原因：监测北方某电厂风力发电机组运行状态，对机组进行日常精密巡检。

测试目的：掌握机组运行状态，避免事故发生，为设备检修提供依据。

风电机组功率1.5MW，主轴额定工作转速18.3r/min,增速箱速比为98.069，该风电机组结构示意图及测点布置图如图2所示。

图2 二期风电齿轮箱结构简图及测点布置

测试方案：测点9由于测量不方便及危险性未测量。振动布置测点如图2所示，其中，测点1-5采用高灵敏度、低频响应好的加速度传感器，对于其它测点采用普通的ICP加速度传感器。测量仪器为郑州恩普特设备诊断工程有限公司设备状态检测与安全评价仪（风电版）PDES－E，采样参数按照采样定理和信号中最小信号及最大信号进行设置。各个测点振动幅值见表1

表1 测试结果

根据振动值的大小判断振动源的大致位置：根据九个测点的振动值大小看，测点4（一级传动大齿圈位置）的两个方向振动值远远大于其它各点，且周围各测量点并未呈现出明显的振动值偏大现象。因此初步判断振动源应该位于大齿圈位置附近，具体故障类型并不清楚，拟用全矢功率谱判断其故障类型。

由于可疑故障源位于一级齿轮传动位置，由此可以推出太阳轮的啮合频率、行星轮的啮合频率、内齿圈的啮合频率都为0.305，，而行星架所在轴的旋转频率为0.305，故太阳轮所在轴的旋转频率为0.305/,行星轮的旋转频率为0.305/。则内齿圈一点的故障频率为0.915，太阳轮一点故障频率为0.915/，行星轮一点故障频率0.915/ 。其中为太阳轮齿数；为行星轮齿数；为内齿圈齿数；如图3所示的x,y通道时频图。

图3 二期风电齿轮箱大齿圈x,y通道的时频图

由于无法准确的得知风电齿轮箱内齿数的具体数值。只能大概推断一级传动系统的啮合频率范围。根据风电齿轮箱的传动特点以及查阅相关的风电齿轮箱数据。大致得出的齿数在120左右，的齿数在20左右，的齿数在50左右，由此可以得出它们的啮合频率在40HZ左右，由此可以得出太阳轮一点的故障频率在5.5HZ左右，行星轮一点故障频率在2.2HZ左右。如果某个部件有故障，频率图中就会出现该部件的特征频率及其倍频，很多时候还可能出现以转频为间隔的边频带，通过对比两个通道的频谱图。大致可以得出出现了以0.915HZ为间隔的边频带；同时2.2Hz和5.5Hz处附近都存在较高的峰值。是否属实，需要进一步做功率谱来进行判断。如图4所示的x,y两通道的功率谱图与全矢功率谱图。

图4 x,y通道的功率谱图与全矢功率谱图

通过对双通道的内齿圈信号进行全矢功率谱变换后得出以下结论：

1) 虽然测点4处振动幅值偏大，但是并未影响到周围测点的振动，故得出测点4处的振动偏大不影响风机的正常工作。

2）对于该机组的相关测点应进行重点监测，当这些测点的振动值在1个月内有明显增加（增加量超过50％以上）应引起重视。轴承或齿轮部位也应关注温度、噪声等参数的变化.

4结论

将全矢功率谱技术应用于风电齿轮箱系统的的故障诊断，可以准确显示旋转机械各回转频率下的振动强度和方位；结果明确、直观，并且和传统分析方法具有兼容性，适用于现场应用。避免了单通道信息会带来的误判；对提高旋转机械故障的诊断可靠性具有重要意义。

参考文献

[1] 杨明明.大型风电机组故障模式统计分析及故障诊断[D]河北：华北电力大学，2009.

旋转机械故障诊断范文第5篇

【关键字】：轴承故障、振动诊断、共振。

1、轴承故障概述

轴承是旋转机械中的一类重要部件，轴承的性能及可靠性在很大程度上取决于轴承零件的材料。对于轴承套圈与滚动体，通常要考虑的因素包括影响承载能力的硬度，滚动接触条件下、清洁或受污染条件下的抗疲劳性，以及轴承元件的尺寸稳定性。对于保持架，要考虑的因素包括摩擦力、应变力、惯性力，

在某些情况下还要考虑同某些剂、有机溶剂、冷却剂和制冷剂的化学反应。这些考虑因素的相对重要性可能受到其它运行参数的影响，例如腐蚀、温度升高、冲击负荷或这些与其它状况的混合。滚动轴承内的密封件对轴承的性能与可靠性也有相当大的影响。它们的制造材料必须提供优异的抗氧化性、耐热性或耐化学腐蚀性。据统计，由于轴承导致的故障在旋转机械所有故障中占到三分之一左右，近年来，随着故障诊断计算在基层理论研究及实际应用中不断发展和完善当烘缸滚动轴承出现局部损伤时，在受载运转过程中，轴承的其它零件会周期地撞击损伤点，产生的冲击力激励轴承座及其支撑结构，形成一系列由冲击激励产生的减幅振荡，减幅振荡发生的频率为故障特征频率。

2、 轴承振动产生的原因

常见的滚动轴承损伤形式有疲劳损伤、电化腐蚀、表面损伤、过热烧伤等。当机械设配运转时，轴承以设定的速度转动并带有一定的负载，此时以轴承、轴承座和箱体为组成零件的轴承系统就会产生激励，进而促使整个设备系统发生系统诊断，其振动通常会受内部因素和外部因素的影响。轴承系统振动产生的机理。在外部机械设备的其他部件会对轴承产生影响。

3、 烘缸滚动轴承故障的振动诊断

根据监测频带的不同，可将烘缸滚动轴承故障的振动诊断划分为低频诊断和高频诊断，其中低频诊断主要是针对轴承中各元件缺陷的旋转特征频率进行的；而高频诊断则着眼于烘缸滚动轴承因存在缺陷时激发的各元件的固有频率振动。它们在原理上没有太大差别都要通过频谱分析等手段，找出不同元件（内滚道、外滚道、滚动体等）的故障特征频率，以此判断烘缸滚动轴承的故障部位及其故障的严重程度。显然，要实现对故障特征频率的定位，首先必须计算出各个元件的理论特征频率。为此，先推导出各元件故障特征频率的计算公式，再讨论轴承各种故障的振动特点。

3.1、低频段的旋转特征频率

烘缸滚动轴承各元件存在单一缺陷时的特征频率如表2.1所示

需要说明的是上表中所给出的特征频率分别为滚动体缺陷、内滚道缺陷和外滚道缺陷的基频。实际应用中，根据故障严重程度，频谱图中还可能出现各自的倍频。

3.2、高频段的固有振动频率

烘缸滚动轴承中的各元件因受到冲击而作自由振动时是以各自的固有振动频率进行的，轴承元件的固有频率多处在几kHz到几十kHz的高频段，且受轴承装配状态的影响，下面给出内外环的固有振动频率的计算公式：

1） 内外环的固有振动频率

（2.1）

式中 I----内外环截面绕中性轴的惯性矩， ；

D----圆环中性轴的直径，m；

M----圆环单位长度内的质量， ；

E----圆环材料的弹性模量， ；

n----变形波数；

2） 钢球的固有振动频率

（2.2）

式中

----钢球的直径， ；

E----材料的弹性模量， ，钢为 ；

----材料的密度， ，钢为 ；

4、烘缸滚动轴承有异常时的振动特性

烘缸滚动轴承的异常情况是多种多样的，为了叙述的方便，在此讨论各种典型的单一型异常形式的振动特性，这并不意味着典型的异常形式总是独立发生的。

4.1、烘缸滚动轴承的构造所引起的振动

（1） 轴承元件的变力变形引起的振动

给烘缸滚动轴承施加一定的载荷时，由于内外环以及滚动体的受力变形，而使旋转轴的中心发生变动，由此引起的振动的主要频率成分为 ，其中 为滚珠个数， 为滚动体的公转频率。

（2） 旋转轴弯曲时引起的振动

当旋转轴弯曲或倾斜时，此时发生的振动的主要频率成分为 。

（3） 滚动体直径不一致引起的振动

当一个滚动体的直径大于其他滚动体的直时，旋转轴轴心将以滚动体的公转频率 而变动，即发生此频率的振动。此外，由轴向刚度的不同，还会引发频率 ，的振动。

2） 烘缸滚动轴承的非线性引发的振动

烘缸滚动轴承是通过滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，可以形象的比之为 “弹簧”。此“弹簧”的弹性系数很大，当轴承的状态不良时，就会出现非线性弹性，由此而引发的振动。其振动的频率为轴的旋转频率 ，及其谐波 ， …和分频 ， …。这种形式的振动常在深槽球轴承中发生，而在自动调心和滚子轴承上不常发生。

3）由于精加工波纹引起的振动

制造时，如在滚道或滚动体的精加工面上留有波纹，当凸起部数目达到一定值时，就会产生特有的振动，如表2.2所示。

应该指出的是，上表对于有径向间隙并承受径向载荷的轴承，多数是不适用的。

4）烘缸滚动轴承损伤（缺陷）而引起的振动

2、轴承严重磨损引起的偏心时的振动 在使用过程中由于发生严重磨损而使轴承偏时，轴的中心将产生振摆，此时的振动频率为 ，其中， 为自然数， 为轴的旋转频率。滚动轴承内的摩擦是轴承内热量产生的决定因素，其结果也对操作温度产生决定性影响。摩擦大小取决于负荷和其它一些因素， 其中最重要的是轴承的种类和大小、操作速度、剂性能和用量。组成轴承运转总阻力的是：有关接触面上的滚动和滑动摩擦、剂内的摩擦、以及接触密封件的滑动摩擦。而产生滚动和滑动摩擦的地方则有：滚动接触面、滚动部件和保持架之间的接触面、以及引导滚动部件或保持架的支承面。

（2） 内环有缺陷是的振动当内环的某个部分存在剥落、裂纹、压痕、损伤等缺陷时，所发生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， ，…。由于轴承通常有径向间隙而使振动受到轴的旋转频率 或滚动体的公转频率 的调制。有无间隙的发生频率如表2.3所示：

（3）外环有缺陷时的振动当外环有缺陷时，轴承所产生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， …。与内环缺陷振动特性不同的是，由于此时缺陷的位置与承载方向相对位置固定，故不会发生调制现象。

（4）滚动体有缺陷时的振动当滚动体上有缺陷时，轴承所产生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， …。和内环有缺陷时的情况相同，由于通常存在的轴承径向间隙，使振动受到滚动体公转频率的调制。应该说明的是：由于轴承的初期损伤所引起的冲击振动往往比机器的其他振动要小的多，为了有效地进行轴承故障诊断，经常采用共振解调技术。

参考文献：